برچسب: انرژی

در دنیای امروز، حجم عظیمی از انرژی به شکل گرما هدر می‌رود. از دیتاسنترهایی که مدل‌های هوش مصنوعی را اجرا می‌کنند گرفته تا باتری خودروهای برقی و کارخانه‌های صنعتی، همه‌جا گرمای اضافی تولید می‌شود که معمولاً بدون استفاده به محیط منتقل می‌گردد. اکنون پژوهشگران دانشگاه علوم و فناوری پوهانگ در کره جنوبی (POSTECH) راهی تازه برای استفاده از این انرژی پیدا کرده‌اند؛ روشی که می‌تواند گرمای هدررفته را به برق تبدیل کند، بدون نیاز به مواد گران‌قیمت و کمیاب.

کلید این فناوری جدید، یک ساختار ویژه به نام نانولوله است.

مشکل گرمای هدررفته در عصر فناوری

با رشد سریع فناوری‌های دیجیتال، مصرف انرژی به شکل چشمگیری افزایش یافته است. هر بار که یک کاربر در مدل‌های هوش مصنوعی مانند چت‌بات‌ها یک درخواست ارسال می‌کند، بخشی از انرژی مصرف‌شده در سرورها به گرما تبدیل می‌شود. این گرما در مقیاس کوچک شاید بی‌اهمیت به نظر برسد، اما در مقیاس جهانی دیتاسنترها به یک چالش جدی تبدیل شده است.

این مشکل فقط به هوش مصنوعی محدود نمی‌شود. باتری خودروهای برقی هنگام شارژ و تخلیه انرژی، مقدار زیادی گرما تولید می‌کنند. همچنین کارخانه‌های بزرگ صنعتی، حجم عظیمی از گرمای زائد را به شکل گازهای داغ به محیط آزاد می‌کنند. این اتلاف انرژی نه‌تنها ناکارآمد است، بلکه به افزایش مصرف کلی منابع نیز منجر می‌شود.

تلاش برای بازیابی انرژی حرارتی

دانشمندان سال‌هاست به دنبال روش‌هایی هستند تا این انرژی هدررفته را دوباره به برق تبدیل کنند. یکی از این روش‌ها استفاده از دستگاه‌های ترموالکتریک است؛ ابزارهایی که اختلاف دما را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند.

اما یک مشکل بزرگ وجود دارد: مواد مورد استفاده در این فناوری معمولاً از عناصر کمیاب مانند بیسموت و تلوریم ساخته می‌شوند. این مواد هم بسیار گران هستند و هم تأمین آن‌ها به زنجیره‌های تأمین جهانی پیچیده وابسته است.

در مقابل، سیلیکون ماده‌ای فراوان، ارزان و کاملاً سازگار با صنعت نیمه‌هادی‌هاست. مشکل اینجاست که سیلیکون به‌تنهایی عملکرد ضعیفی در تبدیل گرما به برق دارد، زیرا اجازه می‌دهد گرما به‌راحتی عبور کند و در نتیجه اختلاف دمای لازم از بین می‌رود.

ایده جدید: استفاده از نانولوله‌های سیلیکونی

پژوهشگران POSTECH به سرپرستی پروفسور «چانگ-کی بک» و دانشجوی دکتری «کی یونگ کیم» به جای استفاده از ساختارهای معمولی سیلیکونی، به سراغ طراحی یک ساختار متفاوت رفتند: نانولوله‌های سیلیکونی توخالی.

در حالت معمول، نانوسیم‌های سیلیکونی به شکل میله‌های توپر هستند. اما در این تحقیق، ساختار آن‌ها تغییر داده شد و به شکل لوله‌های بسیار کوچک و توخالی درآمدند. این تغییر ساده در ظاهر، تأثیر بسیار بزرگی بر رفتار حرارتی ماده دارد.

نتایج آزمایش‌ها نشان داد که این نانولوله‌ها می‌توانند رسانایی حرارتی را تا 70 درصد کمتر از نانوسیم‌های توپر کاهش دهند. حتی زمانی که شرایط آزمایش طوری تنظیم شد که سطح تماس هر دو ساختار یکسان باشد، نانولوله‌ها همچنان حدود 33 درصد خنک‌تر عمل کردند.

• تکنیک جدید پیچش، کنترل بی‌سابقه‌ای بر نور کوانتومی فراهم کرد

چرا نانولوله‌ها گرما را بهتر کنترل می‌کنند؟

برای درک این موضوع باید به مفهوم «فونون» توجه کنیم. فونون‌ها ذرات شبه‌موجی هستند که ارتعاشات اتمی و در واقع انتقال گرما در مواد جامد را توضیح می‌دهند.

در یک ساختار جامد مانند نانوسیم، فونون‌ها آزادانه حرکت می‌کنند، درست مانند ترافیک در یک بزرگراه باز. این یعنی گرما به‌راحتی در طول ماده جریان پیدا می‌کند و از بین می‌رود.

اما در ساختار نانولوله، این جریان با موانع داخلی روبه‌رو می‌شود. پژوهشگران پدیده‌ای به نام «محلی‌سازی فونونی» را مشاهده کردند. در این حالت، ارتعاشات گرمایی در بخش‌های خاصی از ساختار گیر می‌افتند و نمی‌توانند به‌راحتی حرکت کنند. نتیجه این فرآیند، کاهش چشمگیر انتقال گرما است.

به زبان ساده، نانولوله مانند شبکه‌ای از مسیرهای بسته عمل می‌کند که اجازه نمی‌دهد گرما آزادانه فرار کند.

شکستن یک تصور قدیمی در علم مواد

تا پیش از این تصور می‌شد که پدیده محلی‌سازی فونون‌ها فقط در شرایط بسیار خاص مانند دماهای نزدیک به صفر مطلق یا در مواد بسیار پیچیده قابل مشاهده است. اما یافته‌های جدید تیم POSTECH این تصور را تغییر داده است.

این پژوهش نشان داد که می‌توان این پدیده را در شرایط نزدیک به دمای اتاق و در ساختارهایی نسبتاً ساده مانند نانولوله‌های سیلیکونی نیز ایجاد کرد. این موضوع یک گام مهم در درک رفتار گرما در مقیاس نانو محسوب می‌شود.

اهمیت صنعتی و کاربردهای آینده

یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های این فناوری، قابلیت استفاده آن در صنعت نیمه‌هادی‌هاست. از آنجایی که سیلیکون ماده اصلی در تولید تراشه‌های الکترونیکی است، این فناوری به‌راحتی می‌تواند با خطوط تولید موجود سازگار شود.

این یعنی برخلاف بسیاری از فناوری‌های آزمایشگاهی، نیازی به تغییر کامل زیرساخت‌های صنعتی وجود ندارد. شرکت‌ها می‌توانند این نانولوله‌ها را در فرآیندهای تولید فعلی ادغام کنند.

اگر این فناوری توسعه پیدا کند، می‌تواند در حوزه‌های مختلفی مورد استفاده قرار گیرد:

• بازیابی انرژی در دیتاسنترها
• افزایش بازده باتری‌های خودروهای برقی
• کاهش اتلاف انرژی در کارخانه‌های صنعتی
• توسعه سیستم‌های مدیریت حرارتی در تراشه‌ها
• مزیت حذف مواد کمیاب

یکی از بزرگ‌ترین مزیت‌های این فناوری، عدم وابستگی به مواد کمیاب و گران‌قیمت است. در حالی که فناوری‌های ترموالکتریک سنتی به عناصر نادر وابسته هستند، این روش تنها از سیلیکون استفاده می‌کند.

این موضوع می‌تواند زنجیره تأمین را پایدارتر و ارزان‌تر کند و وابستگی به بازارهای ناپایدار مواد خام را کاهش دهد. در نتیجه، امکان تولید انبوه و تجاری‌سازی این فناوری بسیار بیشتر خواهد بود.

آینده تبدیل گرما به برق

اگرچه این فناوری هنوز در مراحل تحقیقاتی قرار دارد، اما نتایج آن بسیار امیدوارکننده است. استفاده از نانولوله‌های سیلیکونی می‌تواند مسیر جدیدی برای تبدیل گرمای هدررفته به انرژی قابل استفاده باز کند.

در آینده‌ای نه‌چندان دور، ممکن است دیتاسنترها، خودروهای برقی و کارخانه‌ها نه‌تنها گرما را هدر ندهند، بلکه از آن به‌عنوان یک منبع انرژی استفاده کنند. این تحول می‌تواند نقش مهمی در کاهش مصرف انرژی جهانی و حرکت به سمت فناوری‌های پایدارتر داشته باشد.

جمع‌بندی

پژوهش جدید دانشگاه POSTECH نشان می‌دهد که تغییر در ساختار مواد در مقیاس نانو می‌تواند تأثیرات بزرگی بر عملکرد انرژی داشته باشد. طراحی نانولوله‌های سیلیکونی توانسته راهی برای کنترل بهتر گرما و حتی تبدیل آن به برق ارائه دهد.

این فناوری نه‌تنها از نظر علمی یک دستاورد مهم محسوب می‌شود، بلکه از نظر صنعتی نیز پتانسیل بالایی برای تحول در مدیریت انرژی دارد. اگر توسعه آن ادامه پیدا کند، ممکن است در آینده نزدیک شاهد نسل جدیدی از سیستم‌های انرژی باشیم که در آن، گرمای هدررفته دیگر یک مشکل نیست، بلکه یک منبع ارزشمند است.

دانشمندان با استفاده از یک تکنیک جدید مبتنی بر پیچش موفق شده‌اند راهی تازه برای کنترل منابع نور کوانتومی پیدا کنند؛ دستاوردی که می‌تواند فناوری‌های کوانتومی را یک گام دیگر به کاربردهای عملی نزدیک‌تر کند.

پژوهشگران دانشگاه فناوری سیدنی (University of Technology Sydney) دریافتند که با پیچش و چیدمان دوباره لایه‌های فوق‌نازک ماده‌ای به نام نیترید بور شش‌ضلعی (hBN)، می‌توان رنگ و طول موج نور ساطع‌شده از گسیلنده‌های کوانتومی تعبیه‌شده در این ماده را به‌طور چشمگیری تغییر داد.

گسیلنده‌های کوانتومی منابع بسیار کوچک نور هستند که قادر به تولید فوتون‌های منفردند. همین ویژگی باعث شده است این ساختارها به یکی از اجزای کلیدی رایانه‌های کوانتومی آینده، شبکه‌های ارتباطی فوق‌امن و حسگرهای بسیار دقیق تبدیل شوند. با وجود آنکه پژوهشگران طی سال‌های اخیر توانسته‌اند این گسیلنده‌ها را شناسایی و بررسی کنند، کنترل دقیق عملکرد آن‌ها همچنان یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های این حوزه به شمار می‌رود.

تیم تحقیقاتی اعلام کرده است که روش جدید، راهکاری متفاوت برای تنظیم این منابع نوری ارائه می‌دهد؛ روشی که از ساختار لایه‌ای منحصربه‌فرد نیترید بور شش‌ضلعی بهره می‌برد. این ماده را می‌توان بارها از هم جدا کرد، تحت پیچش قرار داد و دوباره روی هم قرار داد، بدون آنکه ویژگی‌های اصلی آن از بین برود.

استفاده از پیچش برای کنترل نور

دکتر «آنگوس گیل»، نویسنده اصلی این پژوهش، گفت نتایج به‌دست‌آمده ابزار تازه‌ای در اختیار دانشمندان قرار می‌دهد تا بتوانند گسیلنده‌های کوانتومی را بهتر کنترل کنند.

او توضیح داد: “شما می‌توانید این گسیلنده‌های کوانتومی را اندازه‌گیری کنید و وجود آن‌ها را ببینید، اما به‌کارگیری عملی آن‌ها بسیار دشوار است. این روش مانند اهرمی است که ما را یک گام به تحقق فناوری‌های کوانتومی نزدیک‌تر می‌کند.”

در آزمایش‌های انجام‌شده، پژوهشگران توانستند تنها با تغییر زاویه پیچش میان لایه‌های hBN، تغییر قابل‌توجهی در نور ساطع‌شده ایجاد کنند. برخلاف بسیاری از مطالعات مشابه که در آن مواد تنها یک‌بار مونتاژ می‌شوند و پس از آن تغییری نمی‌کنند، این گروه تحقیقاتی بارها لایه‌ها را جدا کردند، دوباره روی هم قرار دادند، زاویه پیچش را تغییر دادند و هم‌زمان ویژگی‌های نوری آن‌ها را اصلاح کردند.

دکتر گیل در این باره گفت: “ما از این واقعیت استفاده می‌کنیم که نیترید بور شش‌ضلعی ماده‌ای لایه‌ای است. می‌توانیم آن را برداریم، روی هم بچینیم، پیچش ایجاد کنیم و از همین پیچش برای تغییر ویژگی‌های گسیلنده‌ها استفاده کنیم. چنین کاری با مواد سنتی مانند الماس یا کاربید سیلیکون تقریباً امکان‌پذیر نیست.”

میزان تغییرات فراتر از انتظار بود

به گفته پژوهشگران، میزان تنظیمی که از طریق پیچش به دست آمد، بسیار بیشتر از پیش‌بینی‌های اولیه بود و حتی از آنچه معمولاً در بسیاری از سامانه‌های گسیلنده کوانتومی امکان‌پذیر است نیز فراتر رفت.

دکتر گیل اظهار کرد: “مزیت این روش آن است که با استفاده از این بستر قابل‌پیچش توانستیم جابه‌جایی بسیار بزرگی در طیف نشر نور ایجاد کنیم. در اغلب مواقع، زمانی که این سامانه‌ها را کنترل می‌کنید، میزان تغییرات بسیار محدود است، اما در این پژوهش، میزان جابه‌جایی بسیار بیشتر از چیزی بود که انتظار داشتیم.”

این نتیجه نشان می‌دهد که پیچش تنها یک تغییر مکانیکی ساده نیست، بلکه می‌تواند به ابزاری قدرتمند برای مهندسی خواص نوری مواد کوانتومی تبدیل شود. تغییر زاویه میان لایه‌ها باعث دگرگونی برهم‌کنش‌های اتمی در ساختار ماده می‌شود و همین موضوع مستقیماً بر نحوه تولید و انتشار نور از گسیلنده‌های کوانتومی اثر می‌گذارد.

در واقع، پژوهشگران توانستند بدون نیاز به تغییر ترکیب شیمیایی ماده یا افزودن عناصر جدید، تنها با تغییر زاویه پیچش، رفتار نوری آن را کنترل کنند. این موضوع می‌تواند هزینه و پیچیدگی تولید تجهیزات کوانتومی آینده را نیز کاهش دهد.

• سیستم مایع نوآورانه برای ذخیره انرژی خورشیدی و تولید هیدروژن بدون برق

رویکردی متفاوت برای توسعه فناوری کوانتومی

به جای آنکه پژوهشگران تلاش کنند نیترید بور شش‌ضلعی را وادار کنند مانند سایر مواد رایج مورد استفاده در فناوری‌های کوانتومی رفتار کند، تصمیم گرفتند از ویژگی‌های طبیعی همین ماده بیشترین بهره را ببرند.

دکتر گیل گفت: “به جای اینکه نقص‌های موجود در hBN را وادار کنیم مانند میزبان‌های جامد سنتی عمل کنند، از بزرگ‌ترین مزیت خود این ماده استفاده کردیم؛ یعنی ساختار نازک، لایه‌ای و قابل‌پیچش آن.”

او برای توضیح بهتر این موضوع، مثالی ساده ارائه داد و گفت: “یک قالب کامل پنیر را تصور کنید؛ دسترسی به قسمت‌های میانی آن آسان نیست. اما اگر همان پنیر به صورت ورقه‌های نازک باشد، می‌توانید لایه‌ها را جدا کنید، دوباره کنار هم قرار دهید و نحوه تعامل آن‌ها را تغییر دهید.”

به گفته او، ساختار لایه‌ای hBN نیز دقیقاً چنین قابلیتی دارد و همین ویژگی امکان ایجاد پیچش‌های مختلف و بررسی اثر هر زاویه بر رفتار گسیلنده‌های کوانتومی را فراهم می‌کند.

پیچش می‌تواند رفتارهای کاملاً جدیدی ایجاد کند

پروفسور «ایگور آهارونوویچ» نیز که از پژوهشگران این پروژه است، گفت پیچش مواد لایه‌ای می‌تواند به ظهور پدیده‌های فیزیکی کاملاً جدید منجر شود.

او توضیح داد: “ممکن است دو لایه به‌تنهایی ویژگی خاصی نداشته باشند، اما اگر آن‌ها را با زاویه مشخصی روی یکدیگر قرار دهید، ناگهان با سامانه‌ای کاملاً متفاوت روبه‌رو می‌شوید.”

این پدیده طی سال‌های اخیر توجه بسیاری از پژوهشگران حوزه مواد دوبعدی را به خود جلب کرده است. تغییر زاویه پیچش میان لایه‌های اتمی می‌تواند نحوه حرکت الکترون‌ها، انتقال انرژی و حتی رفتار نور را تغییر دهد و ویژگی‌هایی ایجاد کند که در هیچ‌یک از لایه‌ها به‌تنهایی وجود ندارد.

به همین دلیل، دانشمندان معتقدند کنترل دقیق زاویه پیچش می‌تواند به یکی از مهم‌ترین ابزارهای طراحی نسل آینده تجهیزات کوانتومی تبدیل شود.

گامی مهم به سوی کاربردهای واقعی

پژوهشگران بر این باورند که این روش در آینده می‌تواند نقش مهمی در توسعه رایانه‌های کوانتومی، سامانه‌های ارتباطات کوانتومی و حسگرهای فوق‌حساس ایفا کند.

رایانه‌های کوانتومی به منابع نوری بسیار دقیق و قابل‌کنترل نیاز دارند تا بتوانند اطلاعات را با استفاده از فوتون‌های منفرد پردازش کنند. از سوی دیگر، شبکه‌های ارتباطی کوانتومی نیز برای انتقال ایمن داده‌ها به چنین منابع نوری وابسته هستند.

علاوه بر این، حسگرهای کوانتومی می‌توانند در حوزه‌هایی مانند پزشکی، امنیت سایبری، ناوبری، تصویربرداری پیشرفته و اندازه‌گیری‌های فوق‌دقیق مورد استفاده قرار گیرند. هرچه امکان کنترل گسیلنده‌های کوانتومی بیشتر شود، عملکرد این فناوری‌ها نیز بهبود خواهد یافت.

از دیدگاه محققان، استفاده از پیچش به‌عنوان ابزاری برای تنظیم ویژگی‌های نور کوانتومی، راهکاری ساده اما بسیار مؤثر محسوب می‌شود که می‌تواند محدودیت‌های بسیاری از روش‌های رایج را برطرف کند. از آنجا که نیترید بور شش‌ضلعی قابلیت جداسازی، چیدمان مجدد و ایجاد پیچش‌های گوناگون را دارد، این ماده به بستری ایده‌آل برای آزمایش و توسعه نسل جدید تجهیزات فوتونیکی و کوانتومی تبدیل شده است.

اگرچه این فناوری هنوز در مرحله تحقیقات آزمایشگاهی قرار دارد، اما نتایج به‌دست‌آمده نشان می‌دهد که پیچش لایه‌های مواد دوبعدی می‌تواند مسیر تازه‌ای برای کنترل نور کوانتومی باز کند؛ مسیری که شاید در آینده نه‌چندان دور، توسعه رایانه‌های کوانتومی، ارتباطات فوق‌امن و نسل جدید حسگرهای پیشرفته را با سرعت بیشتری امکان‌پذیر سازد.

استارتاپ فعال در حوزه انرژی همجوشی هلیون (Helion)، اعلام کرده که به یک نقطه عطف مهم در مسیر توسعه انرژی فیوژن رسیده است. در تازه‌ترین آزمایش‌ها، پلاسما در نمونه اولیه این شرکت به نام Polaris به دمای ۱۵۰ میلیون درجه سانتی‌گراد رسیده؛ عددی که حدود ۷۵ درصد مسیر موردنیاز برای راه‌اندازی یک نیروگاه تجاری را پوشش می‌دهد. این پیشرفت، توجه‌ها را بیش از پیش به راکتور فیوژنی هلیون جلب کرده است.

استفاده از سوخت دوتریوم–تریتیوم برای نخستین‌بار

به گفته دیوید کرتلی، هم‌بنیان‌گذار و مدیرعامل هلیون، این شرکت توانسته با استفاده از سوخت دوتریوم–تریتیوم به این دما دست پیدا کند. این ترکیب از دو ایزوتوپ هیدروژن تشکیل شده و هلیون مدعی است نخستین شرکت خصوصی در حوزه فیوژن است که از این سوخت در یک راکتور عملیاتی استفاده کرده است.

کرتلی اعلام کرده خروجی توان همجوشی به شکل گرما به‌طور قابل توجهی افزایش یافته و مطابق پیش‌بینی‌ها بوده است. این موضوع نشان می‌دهد که فناوری راکتور فیوژنی هلیون در مسیر درستی قرار دارد.

رقابت فشرده برای تجاری‌سازی انرژی فیوژن

Helion مستقر در اورت، واشنگتن، در رقابتی جدی با چندین شرکت دیگر برای تجاری‌سازی انرژی فیوژن قرار دارد؛ منبعی بالقوه نامحدود از انرژی پاک.

از جمله رقبای مهم می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• Commonwealth Fusion Systems
• Type One Energy
• Inertia Enterprises

سرمایه‌گذاران بزرگ نیز وارد این حوزه شده‌اند. برای مثال، گوگل و انویدیا از سرمایه‌گذاران Commonwealth Fusion Systems هستند. همچنین هلیون در سال گذشته ۴۲۵ میلیون دلار سرمایه جذب کرده که نام سم آلتمن نیز در میان سرمایه‌گذاران آن دیده می‌شود.

قرارداد مهم با مایکروسافت؛ تحویل برق از سال ۲۰۲۸

در حالی که بسیاری از شرکت‌های فعال در حوزه فیوژن، اوایل دهه ۲۰۳۰ را برای اتصال به شبکه برق هدف‌گذاری کرده‌اند، هلیون قراردادی با مایکروسافت امضا کرده تا از سال ۲۰۲۸ برق تولیدی خود را به این شرکت بفروشد.

نکته مهم این است که برق موردنظر از راکتور بزرگ‌تری به نام اوریون تأمین خواهد شد، نه از پولاریس. اوریون یک راکتور ۵۰ مگاواتی است که هم‌اکنون در حال ساخت است و نقش کلیدی در آینده تجاری راکتور فیوژنی هلیون دارد.

• اولین نیروگاه همجوشی هسته‌ای تجاری جهان

تفاوت طراحی راکتور فیوژنی هلیون با رقبا

برخلاف بسیاری از رقبا که از طراحی توکامک (محفظه‌ای دونات‌شکل با میدان مغناطیسی قوی) استفاده می‌کنند، راکتور فیوژنی هلیون بر پایه ساختاری به نام «پیکربندی معکوس میدان» (Field-Reversed Configuration) ساخته شده است.

در این طراحی:

1. سوخت در دو انتهای یک محفظه شبیه ساعت شنی تزریق می‌شود.
2. سوخت به پلاسما تبدیل می‌شود.
3. آهنرباهای قدرتمند پلاسماها را به سمت یکدیگر شتاب می‌دهند.
4. پس از ادغام اولیه با دمای ۱۰ تا ۲۰ میلیون درجه، میدان‌های مغناطیسی آن‌ها را فشرده‌تر کرده و دما را به ۱۵۰ میلیون درجه می‌رسانند.
5. تمام این فرآیند در کمتر از یک میلی‌ثانیه رخ می‌دهد.

تولید مستقیم برق به جای استخراج گرما

یکی از ویژگی‌های منحصربه‌فرد راکتور فیوژنی هلیون این است که انرژی را مستقیماً از میدان مغناطیسی واکنش همجوشی استخراج می‌کند، نه از گرمای تولیدشده.

در هر پالس، واکنش فیوژن به آهنرباهای راکتور فشار وارد می‌کند و این فشار باعث القای جریان الکتریکی می‌شود. این روش می‌تواند راندمان بالاتری نسبت به مدل‌های متداول داشته باشد که ابتدا گرما تولید کرده و سپس آن را به برق تبدیل می‌کنند.

حرکت به سوی استفاده از هلیوم-۳

در حال حاضر، Helion از سوخت دوتریوم–تریتیوم استفاده می‌کند، اما در آینده قصد دارد به سراغ ترکیب دوتریوم–هلیوم-۳ برود. این انتخاب سوخت با طراحی خاص راکتور فیوژنی هلیون هماهنگ‌تر است، زیرا ذرات باردار بیشتری تولید می‌کند و برای تولید مستقیم برق مناسب‌تر است.

چالش اصلی اینجاست که هلیوم-۳ روی زمین کمیاب است. بنابراین هلیون باید آن را خودش تولید کند. این شرکت قصد دارد:

• در ابتدا از همجوشی دوتریوم برای تولید نخستین مقادیر هلیوم-۳ استفاده کند.
• در حین بهره‌برداری عادی، بخشی از واکنش‌ها را به تولید هلیوم-۳ اختصاص دهد.
• هلیوم-۳ تولیدشده را خالص‌سازی و مجدداً استفاده کند.

به گفته مدیرعامل هلیون، فرآیند تولید و خالص‌سازی هلیوم-۳ ساده‌تر از پیش‌بینی‌های اولیه بوده و بازدهی بالایی دارد.

هدف نهایی: رسیدن به ۲۰۰ میلیون درجه

هدف نهایی راکتور فیوژنی هلیون رسیدن به دمای ۲۰۰ میلیون درجه سانتی‌گراد است؛ عددی بالاتر از بسیاری از اهداف تعیین‌شده توسط رقبا. به گفته کرتلی، این دما نقطه بهینه برای راه‌اندازی یک نیروگاه تجاری کارآمد است.

در پاسخ به این سؤال که آیا Helion به «نقطه سربه‌سر علمی» رسیده یا نه، کرتلی تأکید کرده تمرکز شرکت بیشتر بر تولید برق عملیاتی است تا ثبت رکوردهای علمی صرف.

جمع‌بندی

پیشرفت اخیر Helion در دستیابی به دمای ۱۵۰ میلیون درجه، استفاده از سوخت دوتریوم–تریتیوم و توسعه مدل تجاری با قرارداد رسمی با مایکروسافت، نشان می‌دهد که راکتور فیوژنی هلیون یکی از جدی‌ترین گزینه‌ها برای ورود انرژی فیوژن به بازار برق در سال‌های آینده است.

اگر این شرکت بتواند به هدف ۲۰۰ میلیون درجه و تولید پایدار ۵۰ مگاوات برق دست پیدا کند، ممکن است زودتر از بسیاری از رقبا انرژی همجوشی را به شبکه برق متصل کند؛ اتفاقی که می‌تواند معادلات انرژی پاک در جهان را تغییر دهد.

شرکت‌های انرژی فنلاندی Teollisuuden Voima Oyj (TVO) و Rauman Biovoima Oy از راه‌اندازی یک همکاری جدید برای بازیافت پسماند نیروگاه هسته‌ای اولکی‌لوتو خبر داده‌اند.

در قالب این پروژه، پسماندهای حاصل از عملیات نگهداری نیروگاه اولکی‌لوتو به نیروگاه تولید هم‌زمان برق و حرارت (CHP) شرکت Rauman Biovoima در شهر راوما منتقل می‌شود تا برای تولید انرژی مورد استفاده قرار گیرد. این نخستین بار است که چنین نوعی از پسماند نیروگاه هسته‌ای در فنلاند بازیافت می‌شود.

قرار بود نخستین محموله آزمایشی پسماند (زباله) تا پایان ماه نوامبر 2025 از اولکی‌لوتو به Rauman Biovoima منتقل شود. نیروگاه اولکی‌لوتو با سه واحد فعال، در جنوب‌غرب فنلاند قرار دارد و توسط TVO اداره می‌شود. هدف این پروژه کاهش اثرات زیست‌محیطی پسماندها و تبدیل موادی است که پیش‌تر به محل دفن زباله منتقل می‌شدند، به انرژی مفید.

بازیافت ایمن پسماند نیروگاه هسته‌ای

پسماند مورد استفاده در این پروژه از شمول کنترل‌های پرتوی معاف بوده و ایمن برای انسان و محیط زیست اعلام شده است. این زباله ها شامل لباس‌های کار، دستکش‌ها و پوشش‌های پلاستیکی هستند. پیش از انتقال، موادی که برای سوزاندن مناسب نیستند، جدا می‌شوند.

شرکت TVO در بیانیه‌ای اعلام کرد: “مزیت این مدل عملیاتی جدید این است که برای نخستین بار می‌توان این پسماند را از طریق سوزاندن برای تولید انرژی، دوباره به چرخه استفاده بازگرداند.”

این اولین بار در فنلاند است که این کار با زباله‌های یک نیروگاه هسته‌ای انجام می‌شود. استفاده مجدد از این زباله‌ها ارزان‌تر از فرآیند قبلی دفع زباله در محل دفن زباله است و راهی برای صرفه‌جویی در منابع طبیعی است.

پیش از این، زباله های مشابه دفن می‌شدند که هم هزینه بیشتری داشت و هم به منابع زمین نیازمند بود. با بازیافت این مواد، هزینه‌ها کاهش یافته و مصرف زمین نیز کمتر می‌شود. TVO برآورد می‌کند که نیروگاه اولکی‌لوتو سالانه حدود ۳۰ تا ۸۰ مترمکعب پسماند نگهداری قابل سوزاندن تولید می‌کند.

• باتری گرانشی می‌تواند برق ساختمان‌های بلند را تامین کند

اجرای آزمایشی برای ارزیابی روش جدید

این طرح با یک محموله آزمایشی کمتر از ۱۰ مترمکعب تا پایان سال 2025 آغاز می‌شود. نیروگاه CHP شرکت Rauman Biovoima برای پردازش این زباله نیازی به تغییرات فنی یا اقدامات ویژه ندارد و این مواد مانند سایر سوخت‌های بازیافتی، در کنار مواد معمولی مبتنی بر چوب، مورد استفاده قرار می‌گیرند.

مارکوس پیوکنن، مدیرعامل Rauman Biovoima، در این‌باره گفت: “پذیرش پسماندهای نگهداری معاف از کنترل پرتوی، به‌خوبی از تلاش‌های نظام‌مند Rauman Biovoima برای ترویج اقتصاد چرخشی و تولید پایدار حمایت می‌کند.”

نیروگاه CHP راوما برق، بخار صنعتی و گرمایش شهری تولید می‌کند. سوخت اصلی این نیروگاه شامل چوب، بقایای جنگلداری و ضایعات صنایع چوبی است. این تأسیسات تقریباً تمام گرمایش شهری مورد نیاز شهر راوما را تأمین کرده و از یک کارخانه کاغذسازی محلی نیز پشتیبانی می‌کند.

گامی به سوی استفاده چرخشی از انرژی

این همکاری میان TVO و Rauman Biovoima نشان‌دهنده حرکت فنلاند به سمت شیوه‌های پایدارتر در مدیریت انرژی و پسماند است. این پروژه ثابت می‌کند که حتی پسماندهای نیروگاه‌های هسته‌ای نیز در صورت مدیریت صحیح، می‌توانند به‌طور ایمن مورد استفاده مجدد قرار گیرند.

این فرآیند جدید به افزایش بهره‌وری کلی زباله ها و کاهش وابستگی به محل‌های دفن زباله کمک می‌کند. TVO اعلام کرده که تبدیل پسماندهای نگهداری به انرژی، با اهداف کلان بهره‌وری منابع و پایداری زیست‌محیطی هم‌راستا است.

این روش با تأیید سازمان ایمنی پرتوی و هسته‌ای فنلاند (STUK) اجرا می‌شود و مطابق دستورالعمل‌های رسمی برای پردازش ایمن این نوع زباله است.

با آغاز اجرای آزمایشی در اواخر سال جاری، این پروژه می‌تواند به الگویی برای سایر تأسیسات هسته‌ای تبدیل شود و نشان دهد که پسماندهای صنعتی که زمانی یک چالش دفع محسوب می‌شدند، چگونه می‌توانند به بخشی از چرخه تولید انرژی تبدیل شوند.

یک سیستم ذخیره‌سازی انرژی جدید برای ساختمان‌های بلندمرتبه در کانادا معرفی شده است. این سیستم که توسط محققان دانشگاه واترلو طراحی شده است، ادعا می‌شود که برای ذخیره‌سازی انرژی تجدیدپذیر مناسب است.

این سیستم ترکیبی از پنل‌های فتوولتائیک نصب شده روی نما، توربین‌های بادی کوچک پشت بام، باتری‌های لیتیوم-یونی و یک سیستم ذخیره‌سازی انرژی گرانشی (GS) مبتنی بر بالابر طنابی است.

چارچوب بهینه‌سازی چندهدفه

محققان خاطرنشان کرده‌اند که چارچوب بهینه‌سازی چندهدفه برای به حداقل رساندن هزینه تراز شده برق (LCOE) و وابستگی به شبکه (GD) با در نظر گرفتن منطق توزیع واقع‌بینانه و عملکرد سالانه توسعه داده شده است. تیم تحقیقاتی همچنین نشان داد که این سیستم برای 625 طرح ساختمان پارامتری که شدت‌های مختلف مصرف انرژی (EUI) و پیکربندی‌های هندسی را پوشش می‌دهند، بهینه شده است که توسط نسبت‌های مساحت به حجم، طول به عرض و ارتفاع به فضای اشغال شده توسط نما تعریف می‌شوند.

گزارش‌ها نشان داده‌اند که سیستم مبتنی بر بالابر طنابی در ترکیب با نماهای فتوولتائیک نصب شده روی دیوارهای جنوبی، شرقی و غربی و همچنین توربین‌های بادی کوچک پشت بام و باتری‌های لیتیوم-یونی عمل می‌کند.

در پیکربندی پیشنهادی، سیستم مبتنی بر جاذبه به عنوان واحد ذخیره انرژی اولیه عمل می‌کند، در حالی که باتری‌ها فقط برای ذخیره‌سازی سریع در ساعات مازاد یا کمبود قابل توجه تولید استفاده می‌شوند.

این سیستم انرژی تولید شده توسط نماهای PV و توربین‌های بادی را برای بلند کردن یک جرم سنگین درون یک شفت در طول مرحله شارژ مهار می‌کند. مجله PV گزارش داد که این انرژی پتانسیل ذخیره شده سپس برای چرخاندن یک ژنراتور الکتریکی در طول تخلیه آزاد می‌شود.

• اولین نیروگاه همجوشی هسته‌ای تجاری جهان

این سیستم شامل واحد موتور-ژنراتور، طناب‌های بالابر است

محققان خاطرنشان کردند که این سیستم شامل یک واحد موتور-ژنراتور، طناب‌های بالابر، چرخ دنده‌های انتقال و یک جرم سنگین است که معمولاً از بلوک‌های فولادی یا بتنی ساخته می‌شود. این جرم به طور مکرر در یک هسته آسانسور عمودی یا یک برج کانتینری بالا و پایین می‌رود.

هنگامی که برق اضافی در دسترس باشد، موتور جرم را به سمت بالا بلند می‌کند و انرژی اضافی را به عنوان پتانسیل گرانشی ذخیره می‌کند. وقتی انرژی مورد نیاز است (یعنی کمبود تولید/عرضه)، جرم کاهش می‌یابد و ژنراتور انرژی ذخیره شده را دوباره به برق تبدیل می‌کند. به گفته محققان، این طرح از نظر فنی قابل اجرا است و اخیراً از نظر تجاری نیز اثبات شده است.

این مطالعه که در مجله Applied Science منتشر شده است، نشان می‌دهد که این سیستم به مقادیر هزینه تراز شده برق (LCOE) بین 0.051 تا 0.111 دلار آمریکا بر کیلووات ساعت و مقادیر GD بین 0.195 تا 0.888، بسته به طراحی ساختمان، دست یافته است. این مقادیر با مقادیر گزارش شده برای سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر یکپارچه با ساختمان مشابه در ادبیات برای مکان‌های مشابه با منابع کم، سازگار یا حتی بهتر هستند.

ساختمان‌های بلندتر با مساحت کف بزرگ می‌توانند کلیدی باشند

محققان همچنین خاطرنشان کردند که ساختمان‌های بلندتر با مساحت کف بزرگ تمایل به دستیابی به مقادیر LCOE کمتر اما وابستگی به شبکه (GD) بالاتر دارند. ظرفیت GS آنها با افزایش EUI به طور مداوم افزایش می‌یابد. آنها همچنین نشان دادند که GS با ظرفیت ویژه خود که از تقریباً 0٪ تا 100٪ میانگین تقاضای روزانه در ساختمان‌های مختلف متغیر است، مؤثرترین مؤلفه بر استقلال سیستم است. GD همبستگی منفی قوی با ظرفیت GS نشان داد.

کار محققان، پتانسیل امیدوارکننده GS را برای افزایش تاب‌آوری و پایداری در سطح ساختمان، به ویژه در ساختمان‌های بلند با EUI متوسط ​​تا کم، برجسته می‌کند.

این تیم تأکید کرد که مطالعات آینده می‌توانند با در نظر گرفتن عدم قطعیت در داده‌های تقاضا و آب و هوا، در نظر گرفتن بارهای حرارتی و سیستم‌های تولید همزمان، در نظر گرفتن GS مشترک در چندین ساختمان یا توسعه روش‌های کنترل تطبیقی ​​و پیش‌بین، این مسیر تحقیقاتی را گسترش دهند.

محققان خاطرنشان کردند که امکان‌سنجی همین فناوری نیز باید در مناطق مختلف آب و هوایی ارزیابی شود و ارزیابی‌های کامل چرخه عمر (از گهواره تا گور) GS برای درک بهتر مزایا و محدودیت‌های این فناوری ضروری است.

هلیون، یک شرکت انرژی همجوشی هسته‌ای مستقر در واشنگتن، ماه گذشته اعلام کرد که مجوز استفاده مشروط (CUP) را از شهرستان چلان برای شروع مرحله بعدی توسعه اولین نیروگاه همجوشی تجاری جهان دریافت کرده است. این گام در فرآیند نظارتی، راه را برای صدور مجوز و ساخت ساختمان ژنراتور همجوشی نیروگاه همجوشی اوریون این شرکت در مالاگا، واشنگتن، که قبل از پایان این دهه، تحویل الکترون‌ها به شبکه را آغاز خواهد کرد، هموار می‌کند.

دیوید کیرتلی، یکی از بنیانگذاران و مدیرعامل هلیون، گفت: “این گام مهم دیگری به سوی آینده‌ای سرشار از انرژی فراوان، پاک، ایمن و مقرون به صرفه است. به عنوان یک شرکت سازنده با تمرکز مصمم بر عملی کردن تجاری برق حاصل از همجوشی، ما بسیار هیجان‌زده‌ایم که به مرحله بعدی ساخت نیروگاه اوریون وارد شویم.”

در سال ۲۰۲۳، هلیون اولین توافقنامه خرید برق (PPA) جهان را برای تأمین برق از این نیروگاه برای مایکروسافت تا پایان سال ۲۰۲۸ اعلام کرد و Constellation Energy به عنوان بازاریاب برق فعالیت خواهد کرد. هلیون که اکنون مجوز استفاده مشروط برای این سایت را دریافت کرده است، همچنان در مسیر دستیابی به این هدف قرار دارد.

فاز بعدی نیروگاه همجوشی هسته‌ای

هلیون پس از یک اطلاعیه عمومی، دوره نظرخواهی عمومی و تصمیم بعدی توسط بازرس دادرسی شهرستان چلان، مجوز استفاده مشروط برای ساخت یک تأسیسات تأسیساتی با تأثیر بالا برای تولید برق از طریق همجوشی هسته‌ای را دریافت کرد. در ژوئیه 2025، هلیون پس از تعیین کاهش‌یافته موارد عدم اهمیت (MDNS) از طریق فرآیند جامع بررسی زیست‌محیطی واشنگتن، SEPA، ساخت ساختمان‌هایی را برای پشتیبانی از نیروگاه همجوشی اوریون در زمینی که از منطقه تأسیسات عمومی شهرستان چلان (PUD) اجاره کرده است، آغاز کرد. در طول فرآیند شناسایی، اجاره و صدور مجوز برای اولین نیروگاه تجاری خود، هلیون بر تعامل اجتماعی و ایجاد روابط تأکید کرده و در طول دو سال گذشته با ذینفعان محلی و ایالتی و قبایل قبیله‌ای ارتباط گسترده‌ای برقرار کرده است.

• انرژی هسته ای فیوژن: یک قدم نزدیکتر

کوین اوربای، کمیسر شهرستان چلان و نماینده منطقه مالاگا، گفت: “در اوایل فرآیندهای صدور مجوز، هلیون با شهرستان چلان تماس گرفت تا درک بهتری از فرآیندهای ما و جمع‌آوری بازخوردها به دست آورد. من از تمایل آنها برای مشارکت جامعه، درک و رسیدگی به سوالات و نگرانی‌ها و تعهدشان به انجام تکالیفشان که به هلیون در رسیدن به این نقطه مهم در فرآیند صدور مجوز کمک کرد، قدردانی می‌کنم.  این موضوع نه تنها شخصیت افرادی را که برای هلیون کار می‌کنند، بلکه شخصیت کل نهاد را نیز نشان می‌دهد.

واشنگتن مرکزی به دلیل دوراندیشی‌اش در دهه‌های گذشته برای آوردن انرژی برق‌آبی به ایالت، به عنوان کمربند قدرت شناخته می‌شود. تبدیل شدن به خانه انرژی همجوشی، میراث منطقه ما را به عنوان یک رهبر مداوم در تولید انرژی پاک تقویت می‌کند.”

رویکرد هلیون در تکرار و آزمایش سریع، این شرکت را قادر ساخته است تا پیشرفت مداومی به سمت یک نیروگاه همجوشی تجاری داشته باشد. این شرکت هفت نمونه اولیه همجوشی ساخته و آزمایش کرده است و اولین شرکت خصوصی همجوشی بود که به دمای پلاسمای ۱۰۰ میلیون درجه سانتیگراد دست یافت، که عموماً دمای عملیاتی مورد نیاز برای امکان‌سنجی همجوشی تجاری در نظر گرفته می‌شود.

درباره هلیون

هلیون یک شرکت تحقیقاتی همجوشی هسته‌ای آمریکایی واقع در اورت، واشنگتن است. این شرکت در حال توسعه یک فناوری همجوشی مغناطیسی-اینرسی برای تولید انرژی همجوشی و هلیوم-3 از طریق همجوشی نوترونی است که در صورت موفقیت، انرژی الکتریکی پاک و کم‌هزینه‌ای را با استفاده از سوختی که منحصراً از آب قابل استخراج است، تولید می‌کند.

این شرکت در سال 2013 توسط دیوید کیرتلی، جان اسلاف، کریس پیل و جورج ووتروبک تأسیس شد. این شرکت یکی از فینالیست‌های جوایز GeekWire 2025 در بخش نوآوری پایدار سال بود.

یک شرکت آلمانی فعال در حوزه راهکارهای انرژی تجدیدپذیر، اخیراً اولین نیروگاه خورشیدی شناور عمودی جهان را راه‌اندازی کرده است که پتانسیل بازتعریف چگونگی تولید انرژی پاک از آب‌های داخلی را دارد.

این نیروگاه که در گودال شنی جایس در منطقه استارنبرگ باواریا واقع شده است، ظرفیت نصب‌شده ۱.۸۷ مگاوات (MW) دارد و انتظار می‌رود سالانه تقریباً دو گیگاوات ساعت (GWh) برق تولید کند.

به گفته SINN Power، این میزان برای تأمین برق صدها خانوار کافی است، در حالی که تنها ۴.۶۵ درصد از سطح دریاچه را اشغال می‌کند. گوتفرید جایس، مدیر Kies-und Quetschwerk Jais که این گودال شنی را اداره می‌کند، فاش کرد: “این پروژه نوآورانه است.”

این سیستم (نیروگاه)در فاز اولیه خود، مصرف برق شبکه سایت را تقریباً ۶۰ درصد کاهش داد و پس از بهینه‌سازی کامل، می‌تواند به ۷۰ درصد راندمان برسد.

دستاورد خورشیدی شناور

سیستم Skipp-Float ثبت اختراع شده این شرکت، جهت‌گیری عمودی شرقی-غربی را برای پنل‌های خورشیدی معرفی می‌کند. این طرح، پنل‌ها را با راهروهای آب باز با عرض حداقل ۱۳ فوت (چهار متر) از هم جدا می‌کند. این امر امکان انعکاس نور و گردش هوا را فراهم می‌کند.

به گفته SINN Power، این چیدمان از تولید برق متعادل‌تر در طول روز پشتیبانی می‌کند و در ساعات صبح و عصر که تأسیسات PV معمولی برق کمتری تولید می‌کنند، خروجی را افزایش می‌دهد.

جایس گفت: “اجرای آن نسبتاً آسان است، زیرا به هیچ زمینی نیاز ندارد و کاملاً با کارخانه تولیدی ما که در طول روز، به ویژه در آفتابی‌ترین ماه‌های مارس تا دسامبر، فعالیت می‌کند، سازگار است، بنابراین می‌تواند از بخش زیادی از برق تولید شده استفاده کند.”

یک سازه تیرک مانند، ماژول‌ها را در حدود ۵.۲ فوت (۱.۶ متر) زیر سطح آب لنگر می‌اندازد و به آنها اجازه می‌دهد تا با نیروهای باد و تغییر سطح آب، انعطاف‌پذیر حرکت کنند. علاوه بر این، این کارخانه از طریق یک کابل شناور و یک نقطه تغذیه ساحلی به شبکه متصل می‌شود. این امر انتقال روان انرژی را بدون ایجاد اختلال در اکوسیستم دریاچه تضمین می‌کند.

• جذب دی اکسید کربن با استفاده از نور خورشید در یک دستاورد کم‌مصرف

راهکار عمودی فتوولتائیک برای نیروگاه

شرکت SINN Power اظهار داشت که این پروژه الزامات قانون منابع آب فدرال آلمان (WHG) را برآورده می‌کند و کاملاً در محدوده قانونی حداکثر پوشش سطحی ۱۵ درصد باقی می‌ماند. به گفته این شرکت، با توجه به اینکه فاز دوم ۱.۷ مگاواتی در حال توسعه است، کل ردپای کربنی زیر ۱۰ درصد باقی خواهد ماند. در همین حال، نظارت اولیه زیست‌محیطی نشان داده است که این نصب هیچ تأثیر منفی زیست‌محیطی ندارد.

در مقابل، SINN Power گزارش داد که این سیستم کیفیت آب را بهبود بخشیده و زیستگاه‌های جدیدی برای ماهی‌ها و پرندگان آبزی در اطراف سازه‌های شناور ایجاد کرده است.

جایس در پایان گفت: “ما موضوع ذخیره‌سازی و تبدیل انرژی را با علاقه دنبال می‌کنیم و مشتاقیم ببینیم که آیا به زودی راه‌حل‌های عملی و اقتصادی نیز در اینجا وجود خواهد داشت یا خیر.”

در مراسم افتتاحیه این نیروگاه، چهره‌های برجسته صنعت و دولت، از جمله مارکوس سودر، وزیر-رئیس باواریا، اگون وستفال، مدیرعامل بایرن‌ورک، استفان فری، مدیر منطقه استارنبرگ و فیلیپ سین، دکترا، مدیرعامل و بنیانگذار SINN Power، حضور داشتند.

این سامانه خورشیدی عمودی برای آب‌های مصنوعی با عمق بیش از ۱.۶ متر (۵.۲ فوت) مناسب است و کاربران صنعتی و پرمصرفی را که به دنبال برق پایدار و سازگار با شبکه هستند، هدف قرار می‌دهد. همچنین برای استفاده در فراساحل آماده است و طبق گزارش‌ها، الزامات فنی لازم برای عملیات دریایی را برآورده می‌کند.

این پروژه را می‌توان نقطه عطفی در فناوری «نیروگاه‌های خورشیدی شناور عمودی» دانست. با توجه به نوآوری، بازدهی مناسب و تأثیر زیست‌محیطی پایین، می‌تواند الهام‌بخش پروژه‌های مشابه در سراسر جهان باشد.

یک روبان پیچ‌خورده از گاز هیدروژن، چندین برابر داغ‌تر از سطح خورشید، به دانشمندان نگاهی اجمالی به آینده‌ی همجوشی هسته‌ای کنترل‌شده داده است؛ منبعی که تاکنون بیشتر در حد یک نظریه باقی مانده و انرژی «پاک» و فراوانی را وعده می‌دهد که می‌تواند با آب دریا تغذیه شود.

این روبان، پلاسمایی درون رآکتور پیشرفته‌ی همجوشی وندلشتاین ۷-ایکس در آلمان بود که در ماه مه گذشته با «بطری‌کردن» مغناطیسی پلاسمای فوق‌داغ به مدت ۴۳ ثانیه، رکوردی تازه ثبت کرد؛ زمانی چندین برابر بیشتر از رکورد قبلی این دستگاه.

نتایج جدید در انرژی هسته ای فیوژن

سال‌هاست به شوخی گفته می‌شود که همجوشی همیشه «۳۰ سال» با ما فاصله دارد. اما آخرین نتایج نشان می‌دهد که دانشمندان و مهندسان سرانجام به این پیش‌بینی نزدیک شده‌اند. تونی رولستون، مهندس هسته‌ای دانشگاه کمبریج که در آزمایش‌های وندلشتاین شرکت نداشت، می‌گوید: “فکر می‌کنم اکنون حدود ۱۵ تا ۲۰ سال با آن فاصله داریم. آهنرباهای ابررسانا که برای مهار پلاسما استفاده می‌شوند، تفاوت ایجاد می‌کنند.”

با این حال، نتیجه‌ی وندلشتاین به‌سرعت با دستاوردی بزرگ‌تر از سوی محققان بریتانیایی در رآکتور Joint European Torus (JET) به چالش کشیده شد. آن‌ها اعلام کردند که در آزمایش‌های پایانی پیش از بازنشستگی این رآکتور در دسامبر ۲۰۲۳، پلاسما را حتی تا ۶۰ ثانیه مهار کرده‌اند. این نتایج هنوز به‌طور رسمی منتشر نشده اما به‌زودی در یک مجله علمی چاپ خواهد شد.

طبق بیانیه‌ی موسسه فیزیک پلاسمای ماکس پلانک در آلمان، داده‌های منتشرنشده‌ی JET و وندلشتاین، هر دو را به «رهبران مشترک» در تلاش برای کارکرد مداوم رآکتورهای همجوشی در دماهای بسیار بالا تبدیل می‌کند. با این حال، حجم پلاسما در JET سه برابر بزرگ‌تر از وندلشتاین است که مزیتی قابل توجه محسوب می‌شود. این موضوع از نگاه محققان آلمانی به معنای آن است که در شرایط برابر، پروژه‌ی وندلشتاین را باید پیشرو واقعی دانست.

رقابت دیرینه: استلاراتور در برابر توکامک

این رقابت دوستانه، ادامه‌ی جدال دیرینه بین دو طراحی اصلی رآکتورهای همجوشی است:

• استلاراتورها مانند وندلشتاین ۷-ایکس، که پلاسما را تنها با آهنرباهای خارجی قدرتمند مهار می‌کنند.
• توکامک‌ها مانند JET، که علاوه بر میدان‌های مغناطیسی خارجی، جریان الکتریکی قدرتمندی را نیز در پلاسما القا می‌کنند.

هر دو رویکرد به نوعی محصورسازی مغناطیسی متکی هستند تا واکنش همجوشی بین ایزوتوپ‌های سنگین هیدروژن، دوتریوم و تریتیوم را شعله‌ور کنند.

• تولید انرژی از زنبورها، باتری های نسل جدید!

پیشرفت‌های موازی در محصورسازی اینرسی

دستاوردهای اخیر پس از موفقیت تأسیسات ملی احتراق (NIF) در سال ۲۰۲۲ به دست آمده است. این مرکز در نزدیکی سان‌فرانسیسکو از روشی متفاوت به نام «محصورسازی اینرسی» بهره می‌برد. در این روش، لیزرهای غول‌پیکر روی گلوله‌ای کوچک از سوخت دوتریوم و تریتیوم متمرکز می‌شوند و واکنش همجوشی ایجاد می‌کنند که برای نخستین بار انرژی خالص تولید کرد. از آن زمان، تکرار این آزمایش‌ها حتی انرژی بیشتری نیز تولید کرده است.

با این حال، روش محصورسازی اینرسی برای تولید برق چالش‌های جدی دارد. لیزرهای NIF پیش از هر آزمایش بیش از ۱۲ ساعت زمان شارژ نیاز دارند و انرژی مصرفی آن‌ها حدود ۱۰۰ برابر بیشتر از انرژی آزادشده از سوخت است. برآوردها نشان می‌دهد که یک نیروگاه همجوشی اینرسی باید حدود ۱۰ قرص سوخت را در هر ثانیه مشتعل کند تا برق پیوسته تولید شود؛ چالشی بزرگ که برخی استارتاپ‌ها در حال بررسی آن هستند.

آینده رآکتورهای مغناطیسی

بیشتر پروژه‌های همجوشی، از جمله ITER در فرانسه، مسیر محصورسازی مغناطیسی را دنبال می‌کنند. وندلشتاین ۷-ایکس به عنوان یک استلاراتور، به دلیل پایداری بالای پلاسما می‌تواند نسبت به توکامک‌ها مدت‌زمان طولانی‌تری بدون آسیب به محفظه کار کند. محققان این پروژه قصد دارند به‌زودی از رکورد یک دقیقه فراتر بروند و در نهایت به کارکرد مداوم بیش از نیم ساعت برسند.

نقش بخش خصوصی

چندین شرکت خصوصی نیز به این رقابت پیوسته‌اند.

• General Fusion در کانادا با فناوری هیبریدی MTF قصد دارد تا اوایل دهه‌ی ۲۰۳۰ برق همجوشی تولید کند.
• Commonwealth Fusion Systems در آمریکا روی ساخت توکامک فشرده ARC با توان ۴۰۰ مگاوات کار می‌کند.

ورود سرمایه‌ی خصوصی، حتی بیش از سرمایه‌گذاری دولتی، امیدها به پیشرفت سریع‌تر این فناوری را افزایش داده است.

پیشرفت‌های اخیر در وندلشتاین ۷-ایکس و JET نشان می‌دهد که همجوشی هسته‌ای بیش از هر زمان دیگری به واقعیت نزدیک شده است. هنوز مشخص نیست که کدام فناوری — استلاراتور، توکامک یا محصورسازی اینرسی — برنده نهایی خواهد بود، اما مسیر رسیدن به این هدف روشن‌تر شده است. با وجود چالش‌های مهندسی، ترکیب تلاش‌های علمی و سرمایه‌گذاری گسترده می‌تواند در دهه‌های آینده این منبع پاک و بی‌پایان انرژی را به خدمت بشر درآورد.

تیمی از دانشمندان با ساخت یک دستگاه برداشت انرژی پیزوالکتریک فوق سبک (PEH) که از ارتعاشات قفسه سینه زنبورها برای تولید برق بدون بریدن بال‌های آنها استفاده می‌کند، به موفقیت کوچکی دست یافته‌اند.

محققان موسسه فناوری پکن و همکارانشان از دانشگاه سان یات-سن، هر دو در چین، این دستگاه را طوری طراحی کرده‌اند که با ارتعاشات طبیعی قفسه سینه زنبورها مطابقت داشته باشد و به آن اجازه دهد بدون ایجاد اختلال در پرواز آنها، انرژی را به طور موثر برداشت کند.

این دستگاه برداشت انرژی که از فیلم‌های PVDF انعطاف‌پذیر ساخته شده و تنها ۴۶ میلی‌گرم وزن دارد، از یک دانه برنج سبک‌تر است و خروجی‌های انرژی چشمگیری تولید می‌کند و در عین حال به زنبورها اجازه می‌دهد تا در هوا معلق بمانند، بچرخند و پرواز کنند، گویی هیچ چیز تغییر نکرده است. محققان با تنظیم دقیق دستگاه برای مطابقت با فرکانس ارتعاش قفسه سینه زنبورها و بهینه‌سازی مرکز ثقل آن، به خروجی انرژی قابل توجه ۵.۶۶ ولت و چگالی توان ۱.۲۷ میلی‌وات بر سانتی‌متر مکعب دست یافتند.

یک برداشت‌کننده انرژی کوچک از زنبورها

در حالی که پیشرفت‌های اخیر در مهندسی الهام‌گرفته از زیست، علم را به برداشت کارآمد انرژی برای حشرات سایبورگ نزدیک‌تر کرده است، ایجاد دستگاه‌های سبک وزن که در پرواز اختلال ایجاد نمی‌کنند، هنوز یک چالش است.

برای مقابله با این مشکل و در عین حال معرفی الگوهای طراحی جدید برای سیستم‌های برداشت انرژی بیولوژیکی در مقیاس میکرو، تیم تحقیقاتی فرکانس رزونانس برداشت‌کننده را با ارتعاشات قفسه سینه زنبورها همسو کرده و مرکز ثقل آن را بهینه کردند. با این کار، آنها به تبدیل انرژی کارآمد بدون ایجاد اختلال در پایداری حشره دست یافتند.

دکتر جیلیانگ ژائو، استاد موسسه فناوری پکن و نویسنده مسئول این مطالعه، فاش کرد: “با ادغام تطبیق فاصله فرکانسی با بهینه‌سازی مرکز ثقل، ما به طور سیستماتیک فرکانس رزونانس برداشت‌کننده را با ارتعاش قفسه سینه زنبورها همسو کردیم و تبدیل انرژی کارآمد را بدون به خطر انداختن پایداری پرواز امکان‌پذیر ساختیم.”

دستگاه برداشت انرژی پیزوالکتریک (PEH) حاصل، لایه‌های PVDF انعطاف‌پذیر و کم‌جرم، طراحی دوبلوری برای افزایش خروجی ولتاژ و تنظیم دقیق با فرکانس ارتعاش طبیعی زنبورها (۲۱۰ تا ۲۲۰ هرتز) را در خود جای داده است. به گفته جیانینگ وو، یکی از نویسندگان مقاله از دانشگاه سان یات-سن، این طرح نیاز به باتری‌های حجیم را از بین می‌برد و طول عمر عملکردی حشرات سایبورگ را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهد.

• اولین نیروگاه خورشیدی قابل جابجایی جهان

در انتظار فردا

محققان دستگاه برداشت انرژی پیزوالکتریک (PEH) را با برش لیزری زیرلایه‌های مسی و اتصال آنها با لایه‌های PVDF انعطاف‌پذیر با استفاده از چسب رسانا طراحی کردند. سپس از قالب‌های چاپ سه‌بعدی برای شکل‌دهی دستگاه به شکل فوق سبک نهایی آن که تنها ۴۶ میلی‌گرم وزن دارد، استفاده کردند.

آنها با استفاده از کامسول برای شبیه‌سازی‌های چندفیزیکی، طرح را اعتبارسنجی کردند و خروجی‌های جابجایی و ولتاژ را که با نتایج تجربی مطابقت داشتند، به طور دقیق پیش‌بینی کردند.

ونژونگ وانگ، استاد موسسه فناوری پکن و نویسنده اصلی این مطالعه، توضیح داد: “دوربین‌های CMOS پرسرعت، بینش‌های مهمی در مورد دینامیک بال زدن ارائه دادند و به ما این امکان را دادند که فرکانس رزونانس برداشت‌کننده را تحت شرایط بار متغیر بهینه کنیم.”

به گفته ژائو، زنبورها حتی با اتصال PEH، رفتار پرواز عادی خود را حفظ کردند، به سرعت در عرض دو ثانیه از چرخش‌ها بهبود یافتند و به راحتی در هوا معلق ماندند، بنابراین حداقل اختلال بیومکانیکی را نشان دادند. با این حال، اگرچه برداشت‌کننده عملکرد قوی در چگالی انرژی و زیست‌سازگاری نشان می‌دهد، اما چالش‌های مربوط به ذخیره‌سازی انرژی و مقیاس‌پذیری هنوز باید مورد توجه قرار گیرند.

محققان نتیجه گرفتند: “کارهای آینده بر ادغام مدارهای مدیریت انرژی و گسترش این روش به سایر حشرات پرنده، مانند سنجاقک‌ها و پروانه‌ها، برای ایجاد راه‌حل‌های استاندارد انرژی برای سیستم‌های بیوهیبریدی متمرکز خواهد بود.”

این تیم معتقد است که این دستگاه نوآورانه، دریچه‌ای به سوی سایبورگ‌های حشرات خودکفا برای استفاده در نظارت بر محیط زیست و ماموریت‌های نجات باز می‌کند و با تکیه بر بهینه‌سازی مبتنی بر فیزیک به جای آزمون و خطای پرمنابع، توسعه را ساده می‌کند.

یک شرکت سوئیسی، یک سیستم خورشیدی قابل جابجایی را در یک خط آهن عملیاتی در غرب سوئیس راه‌اندازی کرد که شامل ۴۸ ماژول فتوولتائیک با توان ۳۸۵ وات برای هر کدام است. این سیستم به عنوان اولین آرایه خورشیدی نصب شده روی ریل در جهان که برای ترافیک ریلی فعال طراحی شده است، توصیف می‌شود.

انتظار می‌رود این سیستم ۱۸ کیلوواتی سالانه ۱۶ مگاوات ساعت برق تولید کند و برق را به شبکه عمومی واقع در ۵۰۰ متری محل تأمین کند و قطارهای مسافربری قرار است از ۲۸ آوریل از روی آن عبور کنند.

این سیستم خورشیدی سالانه ۱۶ مگاوات ساعت به شبکه عمومی تحویل می‌دهد

دفتر حمل و نقل فدرال سوئیس، نیروگاه فتوولتائیک قابل جابجایی را در اکتبر ۲۰۲۴ تأیید کرد و پس از آن، یک سری آزمایش‌ها و تجزیه و تحلیل‌های مورد نیاز آژانس را انجام داد و تمام مجوزهای لازم را دریافت کرد. شرکت Sun-Ways قصد دارد آزمایش‌ها را در طول سه سال آینده ادامه دهد و بر پوشش پنل‌ها، آلودگی و تأثیر سیستم بر زیرساخت‌های ریلی تمرکز کند، با هدف تأیید ایمنی بلندمدت قطارهای در حال حرکت بر روی یک آرایه خورشیدی نصب شده روی ریل.

یک تیم تحقیقاتی بین‌المللی اخیراً یک ارزیابی فنی و اقتصادی برای ارزیابی امکان نصب سیستم‌های فتوولتائیک بین یا در کنار خطوط راه‌آهن برای کاربردهای روستایی انجام داده است. یافته‌های آنها نشان می‌دهد که علیرغم شک و تردیدهای مکرر، چنین پروژه‌هایی نه تنها از نظر فنی امکان‌پذیر هستند، بلکه می‌توانند پتانسیل تجاری بالایی نیز ارائه دهند.

با این حال، منتقدان دو نگرانی عمده را که می‌تواند عملکرد پنل‌های خورشیدی نصب شده روی یا نزدیک خطوط راه‌آهن را محدود کند، برجسته کرده‌اند: خاک زیاد و فشار مکانیکی شدید ناشی از عبور قطارها از بالای سر. هر دو عامل پتانسیل کاهش قابل توجه بازده انرژی و کوتاه کردن طول عمر کلی سیستم را دارند و سوالاتی را در مورد امکان نصب طولانی مدت چنین نصب‌هایی مطرح می‌کنند.

• این امواج اقیانوسی میتوانند دو و نیم برابر توربین های بادی انرژی تولید کنند

خودکفا کردن قطارها با پنل‌های خورشیدی نصب شده روی ریل

به گفته این شرکت، این سیستم پتانسیل عظیمی دارد و پشتیبانی فزاینده‌ای برای نصب پنل‌ها روی خطوط راه‌آهن وجود دارد. در درازمدت، جوزف اسکودری، بنیانگذار و مدیر Sun-Ways، تولید انرژی بین ریل‌ها و تغذیه مستقیم آن به جریان کششی قطارها را پیش‌بینی می‌کند و آنها را تقریباً ۱۰۰٪ خودکفا می‌کند. در طول روز، قطارها در حالی که پنل‌ها برق تولید می‌کنند، حرکت می‌کنند.

شرکت Sun-Ways با استفاده از یک قطار تخصصی از شریک خود، Scheuchzer، نصب را به صورت مکانیکی انجام می‌دهد. به گفته این استارتاپ مستقر در Ecublens، این دستگاه قادر به نصب تقریباً ۱۰۰۰ متر مربع پنل خورشیدی تنها در چند ساعت است که این فرآیند را سریع و مقرون به صرفه می‌کند.

این پروژه در Buttes، در Val-de-Travers، شامل ۱۰۰ متر خطی از خط ریلی TransN با ۴۸ پنل خورشیدی است. اتصالات الکتریکی در داخل پنل‌ها ادغام شده‌اند و یک سیستم تمیزکننده برس استوانه‌ای در انتهای قطار، تمیزی پنل‌ها را تضمین می‌کند.

شرکت Scuderi از Sun-Ways پیش‌بینی می‌کند که این مدل را در سطح جهانی گسترش دهد و خاطرنشان می‌کند که اگر محدود به سوئیس باشد، ۵۰۰۰ کیلومتر راه‌آهن وجود دارد که به طور بالقوه امکان نصب تقریباً ۲.۵ میلیون پنل را فراهم می‌کند. علاوه بر این، این استارتاپ سوئیسی قصد دارد دامنه فعالیت خود را فراتر از آلپ گسترش دهد و قصد دارد در سال‌های آینده آلمان، اتریش، ایتالیا، ایالات متحده و آسیا را هدف قرار دهد.